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Self-assembled, highly-lithiophilic and well-aligned biomass engineered MXene paper enables dendrite-free lithium metal anode in carbonate-based electrolyte

金属锂 枝晶(数学) 材料科学 碳酸盐 锂(药物) 化学工程 电解质 金属 阳极 碳酸锂 纳米技术 电极 冶金 化学 离子 生物 离子键合 有机化学 物理化学 内分泌学 工程类 数学 几何学
作者
Liwen Tan,Chuanliang Wei,Yuchan Zhang,Shenglin Xiong,Hui Li,Jinkui Feng
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier]
卷期号:69: 221-230 被引量:35
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2022.01.024
摘要

Lithium metal anode is the ideal candidate for high-energy–density rechargeable batteries. However, uncontrolled dendrite growth hampers its commercialization. Herein, a dendrite-free composite Li metal anode is realized by a flexible, freestanding, well-aligned and highly-lithiophilic MXene paper designed by a facile electrostatic self-assembly of the exfoliated MXene nanosheets and natural polysaccharide-chitosan ([email protected]). The [email protected] paper gets a well-aligned layered-3D structure with a micro-crumpled surface that can effectively decrease the local current density, guide even Li plating and suppress dendritic Li growth. More importantly, surface-adsorbed chitosan endows enhanced lithiophilicity for MXene substrate and thus reduces the Li nucleation overpotential, which is confirmed by the density functional theory calculations. Abundant lithiophilic groups on [email protected] surface provide high-concentration Li+ anchoring site promoting Li nucleation and laterally inducing uniform Li deposition, which effectively avoids the formation of dendritic Li. As a result, the [email protected] anode with a dendrite-free Li morphology shows a significantly improved cycling life in commercial carbonate-based electrolyte. When coupled with LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode, the full cell exhibits a low capacity decay and steady ultrahigh Coulombic efficiency of 99.6% at a current density of 5C. These findings develop a new approach for designing high-performance metal-based rechargeable batteries.
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